内容正文:
第七章 立体几何
第六节 空间向量在立体几何中的应用
第二课时 空间角及空间距离
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课时作业(四十九)
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第七章 立体几何
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【例1】 (2022·全国乙卷)如图,四面体ABCD中,AD⊥CD,AD=CD,∠ADB=∠BDC,E为AC的中点.
(1)证明:平面BED⊥平面ACD;
(2)设AB=BD=2,∠ACB=60°,点F在BD上,当△AFC的面积最小时,求CF与平面ABD所成的角的正弦值.
(1)证明:因为AD=CD,E为AC的中点,
所以AC⊥DE.
在△ABD和△CBD中,因为AD=CD,∠ADB=∠CDB,DB=DB,所以△ABD≌△CBD,所以AB=CB.
又因为E为AC的中点,所以AC⊥BE.
又因为DE,BE⊂平面BED,DE∩BE=E,
所以AC⊥平面BED.
因为AC⊂平面ACD,所以平面BED⊥平面ACD.
(2)解:连接EF,由(1)知,AC⊥平面BED,因为EF⊂平面BED,
所以AC⊥EF,所以S△AFC= eq \f(1,2) AC·EF.
当EF⊥BD时,EF最小,即△AFC的面积最小.
因为△ABD≌△CBD,所以CB=AB=2,
又因为∠ACB=60°,所以△ABC是等边三角形,
因为点E为AC的中点,所以AE=EC=1,BE= eq \r(3) ,
因为AD⊥CD,所以DE= eq \f(1,2) AC=1.
在△DEB中,DE2+BE2=BD2,所以BE⊥DE.
在Rt△BED中,当EF最小时,EF⊥BD,∴EF= eq \f(DE·BE,BD) = eq \f(\r(3),2) .∴DF= eq \r(DE2-EF2) = eq \f(1,2) .∴FB= eq \f(3,2) .以E为坐标原点建立如图所示的空间直角坐标系Exyz,
则A(1,0,0),B(0, eq \r(3) ,0),C(-1,0,0),D(0,0,1),
所以 eq \o(AD,\s\up13(→)) =(-1,0,1), eq \o(AB,\s\up13(→)) =(-1, eq \r(3) ,0),
设平面ABD的一个法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n·\o(AD,\s\up13(→))=-x+z=0,,n·\o(AB,\s\up13(→))=-x+\r(3)y=0,)) 取y= eq \r(3) ,则n=(3, eq \r(3) ,3).
又设F (0,m,n),由3 eq \o(DF,\s\up13(→)) = eq \o(FB,\s\up13(→)) ,得3(0,m,n-1)=(0, eq \r(3) -m,-z),可得m= eq \f(\r(3),4) ,n= eq \f(3,4) ,所以F eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(\r(3),4),\f(3,4))) ,所以 eq \o(CF,\s\up13(→)) = eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(\r(3),4),\f(3,4))) ,
所以cos 〈n, eq \o(CF,\s\up13(→)) 〉= eq \f(n·\o(CF,\s\up13(→)),|n||\o(CF,\s\up13(→))|) = eq \f(6,\r(21)×\r(\f(7,4))) = eq \f(4\r(3),7) .
设CF与平面ABD所成的角的正弦值为θ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0≤θ≤\f(π,2))) ,
所以sin θ=|cos 〈n, eq \o(CF,\s\up13(→)) 〉|= eq \f(4\r(3),7) ,
所以CF与平面ABD所成的角的正弦值为 eq \f(4\r(3),7) .
【练1】 (2023·江苏秦淮区高三一模)如图,在四棱锥PABCD中,AD⊥平面PAB,AP⊥AB,CD⊥PD.
(1)证明:CD⊥平面PAD;
(2)若E是PD的中点,AB=AP=4,AD=DC=2.求直线CE与平面BCP所成角的正弦值.
(1)证明:∵AD⊥平面PAB,又AP⊂平面PAB,
∴AP⊥AD.又AP⊥AB,AD∩AB=A,且AD,AB⊂平面ABCD,
∴AP⊥平面ABCD,又CD⊂平面ABCD,
∴CD⊥AP,又CD⊥PD,且AP∩PD=P,
∴CD⊥平面PAD.
(2)解:根据(1)可知AB,AD,AP两两相互垂直,
∴分别以AB,AD,AP所在直线为x轴、y轴、z轴,建立空间直角坐标系如图,
则根据题意可得,C(2,2,0),E(0,1,2),B(4,0,0),P(0,0,4),
∴ eq \o(CE,\s\up13(→)) =(-2,-1,2), eq \o(BC,\s\up13(→)) =(-2,2,0), eq \o(BP,\s\up13(→)) =(-4,0,4).
设平面BCP的一个法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(n·\o(BC,\s\up13(→))=-2x+2y=0,,n·\o(BP,\s\up13(→))=-4x+4z=0,)) 取n=(1,1,1),
∴直线CE与平面BCP所成角的正弦值为
|cos 〈 eq \o(CE,\s\up13(→)) ,n〉|= eq \f(|\o(CE,\s\up13(→))·n|,|\o(CE,\s\up13(→))||n|) = eq \f(1,\r(4+1+4)×\r(3)) = eq \f(\r(3),9) .
角度1 向量法求二面角的值或三角函数值
【例2】 (2023·新课标Ⅱ卷)如图,三棱锥ABCD中,DA=DB=DC,BD⊥CD,∠ADB=∠ADC=60°,E为BC的中点.
(1)证明:BC⊥DA;
(2)点F满足 eq \o(EF,\s\up13(→)) = eq \o(DA,\s\up13(→)) ,求二面角DABF的正弦值.
(1)证明:如图,连接DE,AE.
因为DC=DB,且E为BC的中点,所以DE⊥BC.
因为∠ADB=∠ADC=60°,DA=DA,DC=DB,
所以△ADB≌△ADC(SAS).
可得AC=AB,故AE⊥BC.
因为DE∩AE=E,DE,AE⊂平面ADE,
所以BC⊥平面ADE.
又DA⊂平面ADE,所以BC⊥DA.
(2)解:由(1)知,DE⊥BC,AE⊥BC.
不妨设DA=DB=DC=2,因为∠ADB=∠ADC=
60°,所以AB=AC=2.
由题意可知△DBC为等腰直角三角形,故DE=EB=EC= eq \r(2) .
因为AE⊥BC,所以AE= eq \r(AB2-EB2) = eq \r(2) .
在△ADE中,AE2+ED2=AD2,所以AE⊥ED.
以E为坐标原点,ED,EB,EA所在直线分别为x轴,y轴,z轴建立如图所示空间直角坐标系,则D( eq \r(2) ,0,0),B(0, eq \r(2) ,0),A(0,0, eq \r(2) ), eq \o(DA,\s\up13(→)) =(- eq \r(2) ,0, eq \r(2) ), eq \o(BA,\s\up13(→)) =(0,- eq \r(2) , eq \r(2) ).
设F (xF,yF,zF),因为 eq \o(EF,\s\up13(→)) = eq \o(DA,\s\up13(→)) ,所以(xF,yF,zF)=(- eq \r(2) ,0, eq \r(2) ),可得F (- eq \r(2) ,0, eq \r(2) ).所以 eq \o(FA,\s\up13(→)) =( eq \r(2) ,0,0).
设平面DAB的一个法向量为m=(x1,y1,z1),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(DA,\s\up13(→))·m=0,,\o(BA,\s\up13(→))·m=0,)) 即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(-\r(2)x1+\r(2)z1=0,,-\r(2)y1+\r(2)z1=0,)) 取x1=1,则y1=z1=1,
m=(1,1,1)为平面DAB的一个法向量.
设平面ABF的一个法向量为n=(x2,y2,z2),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(FA,\s\up13(→))·n=0,,\o(BA,\s\up13(→))·n=0,)) 即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\r(2)x2=0,,-\r(2)y2+\r(2)z2=0,)) 得x2=0,取y2=1,则z2=1,n=(0,1,1)为平面ABF的一个法向量.
所以cos 〈m,n〉= eq \f(m·n,|m|·|n|) = eq \f(2,\r(3)×\r(2)) = eq \f(\r(6),3) .
记二面角DABF的大小为θ,
则sin θ= eq \r(1-cos2〈m,n〉) = eq \r(1-(\f(\r(6),3))2) = eq \f(\r(3),3) ,
故二面角DABF的正弦值为 eq \f(\r(3),3) .
【练2】(2023·北京卷)如图,四面体PABC中,PA=AB=BC=1,PC= eq \r(3) ,PA⊥平面ABC.
(1)求证:BC⊥平面PAB;
(2)求二面角APCB的大小.
(1)证明:∵PA⊥平面ABC,AC⊂平面ABC,BC⊂平面ABC,
∴PA⊥AC,PA⊥BC.
∵PA=1,PC= eq \r(3) ,
∴AC= eq \r(PC2-PA2) = eq \r(3-1) = eq \r(2) .
又∵AB=BC=1,
∴AC2=AB2+BC2,
∴BC⊥AB,又∵PA∩AB=A,PA,AB⊂平面PAB,
∴BC⊥平面PAB.
(2)解:以点B为坐标原点,分别以 eq \o(BC,\s\up13(→)) , eq \o(BA,\s\up13(→)) 所在直线为x轴,y轴的正方向,建立空间直角坐标系,如图所示,
则A(0,1,0),B(0,0,0),C(1,0,0),
P(0,1,1),
∴ eq \o(AP,\s\up13(→)) =(0,0,1), eq \o(AC,\s\up13(→)) =(1,-1,0), eq \o(BP,\s\up13(→)) =(0,1,1), eq \o(BC,\s\up13(→)) =(1,0,0).
设平面APC的一个法向量为n=(x,y,z),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(AP,\s\up13(→))·n=z=0,,\o(AC,\s\up13(→))·n=x-y=0,)) 取x=1,得n=(1,1,0).
设平面BPC的一个法向量为m=(a,b,c),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\o(BP,\s\up13(→))·m=b+c=0,,\o(BC,\s\up13(→))·m=a=0,)) 取b=1,得m=(0,1,-1).
∴cos 〈m,n〉= eq \f(m·n,|m||n|) = eq \f(1,\r(2)×\r(2)) = eq \f(1,2) .
由图可知二面角APCB为锐角,设二面角APCB的大小为θ,
则cos θ=|cos 〈m,n〉|= eq \f(1,2) ,
∴θ= eq \f(π,3) ,
即二面角APCB的大小为 eq \f(π,3) .
角度2 由二面角求几何量或参数值问题
【例3】 (2023·新课标Ⅰ卷)如图,在正四棱柱ABCDA1B1C1D1中,AB=2,AA1=4.点A2,B2,C2,D2分别在棱AA1,BB1,CC1,DD1上,AA2=1,BB2=DD2=2,CC2=3.
(1)证明:B2C2∥A2D2;
(2)点P在棱BB1上,当二面角PA2C2D2为150°时,求B2P.
(2)解:建立空间直角坐标系,建系方法同(1)中方法二,设BP=n(0≤n≤4),则P(0,2,n),
则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2x1+(1-n)z1=0,,-2y1+(3-n)z1=0,))
令x1=n-1,得a=(n-1,3-n,2)为平面PA2C2的一个法向量.
设平面A2C2D2的一个法向量为b=(x2,y2,z2),
令y2=1,得b=(1,1,2)为平面A2C2D2的一个法向量.
所以|cos 150°|=|cos 〈a,b〉|
= eq \f(|n-1+3-n+4|,\r((n-1)2+4+(3-n)2)×\r(6))
= eq \f(\r(3),2) ,
整理得n2-4n+3=0,解得n=1或n=3,
所以BP=1或BP=3,因为BP≤2,
所以B2P=1.
【练3】 (2022·山东滨州二模)如图,在四棱锥PABCD中,O是BD的中点,PO⊥平面ABCD,∠DAB=∠BCD=90°,AD=AC=CD=2 eq \r(3) ,DP= eq \r(6) .
(1)求证:平面ADP⊥平面APC;
(2)设 eq \o(PM,\s\up13(→)) =λ eq \o(PC,\s\up13(→)) (0<λ<1),若二面角BDMP的余弦值为 eq \f(\r(11),11) ,求λ的值.
(1)证明:设AC∩BD=N,连接PN,如图.
因为∠DAB=∠BCD=90°,O为BD的中点,所以OA=OD=OC,即O为△ADC的中心.
又因为AD=CD,所以AC⊥BD.
由PO⊥平面ABCD,AC⊂平面ABCD,可得PO⊥AC.
又PO∩BD=O,PO,BD⊂平面PDB,所以AC⊥平面PDB,所以AC⊥DP.因为AD=AC=CD=2 eq \r(3) ,DP= eq \r(6) ,
所以DN=3,BD=2OD=4,OP= eq \r(DP2-OD2) = eq \r(2) ,PN= eq \r(OP2+ON2) = eq \r(3) ,
所以DP2+PN2=DN2,则DP⊥PN.
又PN∩AC=N,PN,AC⊂平面APC,所以DP⊥平面APC.因为DP⊂平面ADP,所以平面ADP⊥平面APC.
(2)解:以N为坐标原点,NA,NB所在直线分别为x,y轴,过点N且与直线OP平行的直线为z轴,建立如图所示的空间直角坐标系.
由(1)得,D(0,-3,0),P(0,-1, eq \r(2) ),A( eq \r(3) ,0,0),C(- eq \r(3) ,0,0),B(0,1,0).
所以 eq \o(DP,\s\up13(→)) =(0,2, eq \r(2) ), eq \o(DB,\s\up13(→)) =(0,4,0), eq \o(PC,\s\up13(→)) =(- eq \r(3) ,1,- eq \r(2) ), eq \o(DM,\s\up13(→)) = eq \o(DP,\s\up13(→)) + eq \o(PM,\s\up13(→)) =(0,2, eq \r(2) )+λ eq \o(PC,\s\up13(→)) =(- eq \r(3) λ,λ+2, eq \r(2) - eq \r(2) λ).
设平面BDM的法向量为m=(x,y,z),则 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(m·\o(DB,\s\up13(→))=0,,m·\o(DM,\s\up13(→))=0,))
即 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(4y=0,,-\r(3)λx+(λ+2)y+(\r(2)-\r(2)λ)z=0,))
得y=0.
令x= eq \r(2) - eq \r(2) λ,得z= eq \r(3) λ,所以平面BDM的一个法向量为m=( eq \r(2) - eq \r(2) λ,0, eq \r(3) λ).
由(1)知,DP⊥平面APC,同理可得AP⊥平面PDC,所以平面PDC的一个法向量为 eq \o(PA,\s\up13(→)) =( eq \r(3) ,1,- eq \r(2) ).
所以|cos 〈m, eq \o(PA,\s\up13(→)) 〉|= eq \f(|m·\o(PA,\s\up13(→))|,|m|·|\o(PA,\s\up13(→))|) = eq \f(|\r(6)-2\r(6)λ|,\r(6)×\r(5λ2-4λ+2)) = eq \f(\r(11),11) ,整理得39λ2-40λ+9=0,解得λ= eq \f(9,13) 或λ= eq \f(1,3) .
当λ= eq \f(1,3) 时,二面角BDMP的平面角为钝角,不符合题意.故λ= eq \f(9,13) .
角度1 点到直线的距离
【例4】 (2023·浙江绍兴模拟)如图,在正三棱柱ABCA1B1C1中,若AB= eq \r(2) BB1=2,则C到直线AB1的距离为( )
A. eq \f(\r(15),5)
B. eq \f(\r(10),5)
C. eq \f(\r(15),3)
D. eq \f(\r(30),3)
D 解析:由题意知,AC=AB=2,BB1= eq \r(2) ,取AC的中点O,则BO⊥AC,BO= eq \r(3) ,建立如图所示的空间直角坐标系Oxyz,
则A(0,-1,0),B1( eq \r(3) ,0, eq \r(2) ),C(0,1,0),所以=( eq \r(3) ,1, eq \r(2) ), eq \o(CA,\s\up13(→)) =(0,-2,0),
所以 eq \o(CA,\s\up13(→)) 在上的投影的长度为= eq \f(2,\r(6)) = eq \f(\r(6),3) ,
故点C到直线AB1的距离为
d= eq \r(|\o(AC,\s\up13(→))|2-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(6),3)))\s\up12(2)) = eq \f(\r(30),3) .
【练4】 如图,在四棱锥PABCD中,PB⊥平面ABCD,PB=AB=2BC=4,AB⊥BC,则点C到直线PA的距离为( )
A.2 eq \r(3) B.2 eq \r(5) C. eq \r(2)
D.4
A 解析:如图,以B为坐标原点,射线BC,BA,BP分别为x轴、y轴、z轴的非负半轴,
建立空间直角坐标系,则B(0,0,0),C(2,0,0),A(0,4,0),P(0,0,4),
故 eq \o(PC,\s\up13(→)) =(2,0,-4), eq \o(PA,\s\up13(→)) =(0,4,-4),
所以 eq \o(PC,\s\up13(→)) 在 eq \o(PA,\s\up13(→)) 上的投影向量的长度d= eq \f(|\o(PA,\s\up13(→))·\o(PC,\s\up13(→))|,|\o(PA,\s\up13(→))|) = eq \f(16,4\r(2)) =2 eq \r(2) ,
故h= eq \r(\a\vs4\al(\o(PC,\s\up13(→))2-d2)) = eq \r(20-8) =2 eq \r(3) ,
即点C到直线PA的距离为2 eq \r(3) .
角度2 点到平面的距离
【例5】 (2023·四川树德中学模拟)在正六棱柱ABCDEFA1B1C1D1E1F1中,AA1=2AB=2.求BC到平面ADC1B1的距离.
解:连接AE,因为六边形ABCDEF为正六边形,则∠AFE=∠DEF=120°.
因为AF=EF,则∠AEF=30°,故∠AED=
90°,
因为EE1⊥底面ABCDEF,
不妨以点E为坐标原点,EA,ED,EE1所在直线分别为x,y,z轴建立空间直角坐标系,如图所示,
则A( eq \r(3) ,0,0),B( eq \r(3) ,1,0),C eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2),\f(3,2),0)) ,
D(0,1,0),B1( eq \r(3) ,1,2),C1 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2),\f(3,2),2)) ,E1(0,0,2),在正六棱柱ABCDEFA1B1C1D1E1F1中,BB1∥CC1且BB1=CC1,
所以四边形BB1C1C为平行四边形,则BC∥B1C1.
因为BC⊄平面ADC1B1,B1C1⊂平面ADC1B1,所以BC∥平面ADC1B1,
所以,BC到平面ADC1B1的距离等于点B到平面ADC1B1的距离.
设平面ADC1B1的法向量为m=(x1,y1,z1), eq \o(AD,\s\up13(→)) =(- eq \r(3) ,1,0),=(0,1,2),
则m=(2,2 eq \r(3) ,- eq \r(3) ).
又因为 eq \o(AB,\s\up13(→)) =(0,1,0),所以直线BC到平面ADC1B1的距离为d= eq \f(|\o(AB,\s\up13(→))·m|,|m|) = eq \f(2\r(3),\r(19)) = eq \f(2\r(57),19) .
【练5】 如图,四棱锥PABCD中,底面ABCD为矩形,PA⊥底面ABCD,PA=AB= eq \r(2) ,AD=1,点E是棱PB的中点,直线AB与平面ECD的距离为( )
A.1 B. eq \f(\r(3),3) C. eq \f(8,3)
D. eq \r(2)
B 解析:取PA的中点F,连接EF,FD,如图所示.
因为PA⊥底面ABCD,CD⊂底面ABCD,所以PA⊥CD,
因为底面ABCD为矩形,所以AD⊥CD,PA∩AD=A,
所以CD⊥平面PAD,又CD⊂平面EFDC,
所以平面EFDC⊥平面PAD.因为平面EFDC∩平面PAD=FD,
所以点A到FD的距离,即为点A到平面EFDC的距离,
因为AB∥CD,AB⊄平面EFDC,CD⊂平面EFDC,
所以AB∥平面EFDC,
所以点A到平面EFDC的距离,即为直线AB到平面EFDC的距离,在Rt△AFD中,AF= eq \f(\r(2),2) ,AD=1,DF= eq \f(\r(6),2) ,
所以点A到FD的距离为d= eq \f(|\o(AF,\s\up13(→))·\o(AD,\s\up13(→))|,|\o(DF,\s\up13(→))|) = eq \f(\r(3),3) .
故直线AB与平面ECD的距离为 eq \f(\r(3),3) .
$$